DE4019008C2

DE4019008C2 - Superconducting magnetic device

Info

Publication number: DE4019008C2
Application number: DE4019008A
Authority: DE
Inventors: Moriaki Takechi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-06-15
Filing date: 1990-06-13
Publication date: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2010-06-14
Also published as: JPH0318001A; GB2232820B; GB9013324D0; DE4019008A1; US4994935A; GB2232820A

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Magnetvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a superconducting magnet device according to the preamble of claim 1.

Aus der US-PS 4 807 084 ist eine supraleitende Magnetvorrichtung mit einer Notabschalteinheit bekannt. Die dort gezeigte supraleitende Magnetvorrichtung besteht aus einer supraleitenden Magnetspule in deren unmittelbarer Nähe innerhalb eines Kryogefäßes ein Heizelement, welches von einer externen Stromversorgung mit Strom beaufschlagt wird, angeordnet ist. Durch das Strombeaufschlagen des Heizelementes geht die supraleitende Magnetspule in den normalleitenden Zustand. From US-PS 4 807 084 is a superconducting Magnet device with an emergency shutdown unit known. The superconducting magnetic device shown there consists of a superconducting magnet coil in its immediate vicinity a heating element within a cryogenic vessel, which of an external power supply is supplied with current, is arranged. By energizing the Heating element goes into the superconducting magnetic coil the normal conducting state.

In einer weiteren dort gezeigten Ausführungsform weist die supraleitende Spule mehrere Spulenabschnitte auf, welche jeweils durch ein Schutzelement überbrückt sind. Jedem dieser Abschnitte ist ein Heizelement zugeordnet. Die einzelnen Heizelemente sind mittels einer Schalteranordnung nacheinander elektrisch aktivierbar, so daß sichergestellt ist das durch zeitdifferenziertes Anregen der Heizelemente die einzelnen Abschnitte der supraleitenden Magnetspule nacheinander in den Quench-Zustand übergehen. Durch diese Maßnahmen soll die Entgasungsgeschwindigkeit des bei Erwärmung in den gasförmigen Zustand übergehenden Kühlmittels verringert werden, wodurch eine explosionsartige Zerstörung des Kryogefäßes verhindert wird.In a further embodiment shown there, the superconducting coil on several coil sections, which are each bridged by a protective element. Each one of these A heating element is assigned to sections. The single ones Heating elements are arranged one after the other by means of a switch arrangement electrically activated, so that is ensured by time-differentiated excitation of the heating elements each Sections of the superconducting magnet coil in succession in the Pass the quench state. Through these measures the Degassing rate when heated in the gaseous Coolant condition being reduced, thereby prevents explosive destruction of the cryogenic vessel becomes.

Die US-PS 4 689 707 zeigt eine gattungsgemäße supraleitende Magnetvorrichtung mit zusätzlichen Trimmspulen. Der Hauptspule und den Trimmspulen sind jeweils Notabschalt-Hauptspulenheizelemente bzw. Notabschalt-Trimmspulenheizelemente zugeordnet, wodurch ein gesteuerter Übergang der jeweiligen Spulen vom supraleitenden Zustand in den Normalleitungszustand möglich wird. Als Problem wird dort herausgestellt, daß beim Übergang der Hauptspulen vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand in den Trimmspulen Ströme induziert werden, welche zu einer Beschädigung der Trimmspulen führen. Zur Lösung dieses Problems wird gemäß US-PS 4 689 707 vorgeschlagen die Hauptspule in einzelne Abschnitte zu unterteilen, wobei Teilstromkreise entstehen, die neben dem jeweiligen Spulenabschnitt ein Schutzelement und ein Heiznetzwerk aufweisen. Mit dem Übergang in den Quench-Zustand wird das in dem jeweiligen Teilstromkreis befindliche Heiznetzwerk aktiviert und den betreffenden Notabschalt- Trimmspulenheizelementen ein Strom zugeführt. Es erfolgt also eine gezielte Umwandlung der in den Abschnitten der Hauptspule gespeicherten Energie in Wärmeenergie der Notabschalt- Hauptspulenheiz- bzw. Notabschalt-Trimmspulenheizelementen durch eine elektrisch gekoppelte Ansteuerung derselben. Eine externe Notabschaltung ist gemäß der Lehre der US-PS 4 689 707 nicht möglich. Des weiteren setzt die Wirkungsweise der dort gezeigten Anordnung ein sich ausbildenden Quench-Zustand in mindestens einem Abschnitt der Hauptspule voraus, wodurch jedoch bereits Induktionsströme in den Trimmspulen entstehen, die zu einer Beschädigung dieser führen können.US Pat. No. 4,689,707 shows a generic superconducting magnet device with additional trim coils. The main coil and the Trim coils are emergency shutdown main coil heating elements or emergency shutdown trim coil heaters assigned, whereby a controlled transition of the respective coils from superconducting state in the normal conduction state possible becomes. As a problem it is pointed out that during the transition of the main coils from superconducting to normal conducting State in the trim coil currents are induced which too damage the trim coils. To solve this Problems are suggested in U.S. Patent 4,689,707 Divide the main coil into individual sections, whereby Subcircuits are created next to each Coil section a protective element and a heating network exhibit. With the transition to the quench state, that becomes heating network located in the respective subcircuit activated and the relevant emergency shutdown Trimm coil heating elements supplied a current. So it happens a targeted conversion of those in the sections of the main coil stored energy in thermal energy the emergency shutdown Main coil heating or emergency shutdown trim coil heating elements by an electrically coupled control of the same. A external emergency shutdown is in accordance the teaching of US Pat. No. 4,689,707 is not possible. Furthermore sets the mode of operation of the arrangement shown there forming quench state in at least a portion of the Main coil ahead, which however already induces induction currents in The trim coils arise, which damage this being able to lead.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine supraleitende Magnetvorrichtung anzugeben, welche ein externes Notabschalten, z. B. im Falle einer Havarie oder eines Feuers derart ermöglicht, daß während der Notabschaltung in den Trimmspulen kein solcher Strom fließt, welcher zu einer irreversiblen Beschädigung der Trimmspulen führt.It is therefore an object of the invention to have a superconducting Specify magnetic device which is an external Emergency shutdown, e.g. B. in the event of an accident or fire allows such that during the emergency shutdown in the Trim coils no such current flows to one irreversible damage to the trim coils.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt in zufriedenstellender Weise mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung zeigen.The object of the invention is achieved in satisfactory with the characteristic features of claim 1, the subclaims expedient Show refinements and developments of the invention.

Nachfolgend sollen Beispiele der erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetvorrichtung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden.Below are examples of the invention superconducting magnetic device with reference to the accompanying drawings are explained in more detail.

Die Zeichnungen zeigen inThe drawings show in

Fig. 1 ein Schaltbild der supraleitenden Magnetvorrichtung mit einem Notabschaltsystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 1 is a circuit diagram of the superconducting magnetic device with an emergency shutdown system according to a first embodiment of the invention and

Fig. 2 ein Diagramm, das die Betriebsfolge der Schalter gemäß Fig. 1 erläutert; Fig. 2 is a diagram explaining the operational sequence of the switch shown in Fig. 1;

Fig. 3 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles der supraleitenden Magnetvorrichtung mit Notabschaltsystem. Fig. 3 is a circuit diagram of a second embodiment of the superconducting magnet device with emergency shutdown system.

Die supraleitende Magnetvorrichtung nach Fig. 1 hat eine supraleitende Hauptspule 1 zur Erzeugung eines im wesentlichen gleichförmigen statischen Magnetfeldes in einem Bereich, der zur Durchführung von kernspin-tomographischen Untersuchungen dient. Ferner ist ein Paar von supraleitenden Trimmspulen 2a und 2b mit der supraleitenden Hauptspule 1 elektromagnetisch ge koppelt, um die Gleichförmigkeit des von der Hauptspule erzeugten Magnetfeldes zu erhöhen.The superconducting magnet device according to FIG. 1 has a superconducting main coil 1 for generating an essentially uniform static magnetic field in an area which is used to carry out nuclear spin tomographic examinations. Furthermore, a pair of superconducting trim coils 2 a and 2 b is electromagnetically coupled to the superconducting main coil 1 in order to increase the uniformity of the magnetic field generated by the main coil.

Die supraleitende Magnetvorrichtung hat ferner Dauerstrom schalter 3, 4a und 4b, die der supraleitenden Hauptspule bzw. den supraleitenden Trimmspulen 2a und 2b parallelge schaltet sind. Der Dauerstromschalter 3 für die Hauptspule hat einen Dauerstromschalter-Supraleiter 5 und ein in dessen Nähe angeordnetes Dauerstromschalter-Heizelement 7. Ebenso haben der Dauerstromschalter 4a bzw. 4b für die Trimmspulen 2a bzw. 2b jeweils einen Supraleiter 6a bzw. 6b und Heizelemente 8a bzw. 8b. Die supraleitende Magnetvor richtung umfaßt ferner Schutzelemente 9, 10a und 10b, die entweder Widerstände oder Dioden sind, die den jeweiligen Spulen 1, 2a und 2b parallelgeschaltet sind. Die Schutz elemente 9, 10a und 10b haben die Aufgabe, die an den Dau erstromschaltern 3, 4a und 4b beim Auftreten des Lösch effekts an der supraleitenden Hauptspule 1 und den supra leitenden Trimmspulen 2a und 2b erzeugte Spannung zu unter drücken.The superconducting magnetic device also has continuous current switches 3 , 4 a and 4 b, the superconducting main coil or the superconducting trimming coils 2 a and 2 b are switched in parallel. The continuous current switch 3 for the main coil has a continuous current switch superconductor 5 and a continuous current switch heating element 7 arranged in the vicinity thereof. Likewise, the continuous current switch 4 a or 4 b for the trimming coils 2 a or 2 b each have a superconductor 6 a or 6 b and heating elements 8 a or 8 b. The superconducting Magnetvor direction also includes protective elements 9 , 10 a and 10 b, which are either resistors or diodes, the respective coils 1 , 2 a and 2 b are connected in parallel. The protective elements 9 , 10 a and 10 b have the task of the voltage generated at the permanent current switches 3 , 4 a and 4 b when the extinguishing effect occurs on the superconducting main coil 1 and the superconducting trim coils 2 a and 2 b to press.

In der Nähe der supraleitenden Hauptspule 1 ist ein Not abschalt-Hauptspulenheizelement 21 zur Entmagnetisierung der Hauptspule 1 vorgesehen, und gleichartige Notabschalt- Trimmspulenheizelemente 22a und 22b sind nahe den supra leitenden Trimmspulen 2a und 2b zur Entmagnetisierung der selben vorgesehen. Die bis hierher beschriebenen Komponen ten sind von einem Kryobehälter 23 umschlossen. Die Trimm spulenheizelemente 22a und 22b sind mit einer Heizstromver sorgung 24 durch einen ersten Schalter 25 verbunden, und das Hauptspulenheizelement 21 ist mit der Heizstromversor gung 24 durch einen zweiten Schalter 26 verbunden. Es ist ersichtlich, daß die Heizeleinente 22a und 22b miteinander in Reihe liegen, aber dem Hauptspulenheizelement 21 paral lelgeschaltet sind. Dadurch wird die Aktivierung der Trimm spulenheizelemente 22a und 22b durch den ersten Schalter 25 und die Aktivierung des Hauptspulenheizelements 21 durch den zweiten Schalter 26 gesteuert. Der erste und der zweite Schalter 25 und 26 sind mit einer Steuereinheit 27 verbun den, so daß ihr Betrieb von dieser in der in Fig. 2 gezeig ten Weise steuerbar ist. Die Steuereinheit 27 kann jede geeignete Steuereinheit sein, die den ersten Schalter 25 schließt, um die Heizstromversorgung 24 mit den Trimmspulen heizelementen 22a und 22b zu einem ersten Zeitpunkt T1 zu verbinden, und den zweiten Schalter 26 schließt, um die Heizstromversorgung 24 mit dem Hauptspulenheizelement 21 zu einem zweiten Zeitpunkt T2 zu verbinden, der vom ersten Zeitpunkt verschieden ist, wobei zwischen den beiden Zeit punkten T1 und T2 ein vorbestimmtes Zeitintervall T liegt. Dieses vorbestimmte Zeitintervall T ist so bemessen, daß die supraleitende Hauptspule 1 zu einem Zeitpunkt T4 erst dann in einen Normalzustand übergeht, wenn die supralei tenden Trimmspulen 2a und 2b zu einem Zeitpunkt T3 bereits in den Normalzustand übergegangen sind. Das Zeitdiagramm dieses Betriebs des ersten und des zweiten Schalters 25 und 26 in bezug auf die Zustandsumkehrungen der Hauptspule und der Trimmspulen 2a und 2b ist in Fig. 2 gezeigt. Alter nativ kann die Steuereinheit auch so ausgelegt sein, daß sie den zweiten Schalter 26 schließt, um das Hauptspulen heizelement 21 an die Stromversorgung 24 anzuschließen, nachdem die supraleitenden Trimmspulen 22a und 22b bereits in ihren Normalzustand übergegangen sind.Near the superconductive main coil 1 an emergency is shutdown Hauptspulenheizelement 21 for demagnetization of the main coil 1, and like emergency shutdown shim coil heating elements 22 a and 22 b near the superconducting shim coils 2 a and 2 b to demagnetize the same are provided. The components described so far are enclosed by a cryogenic container 23 . The trim coil heating elements 22 a and 22 b are connected to a Heizstromver supply 24 by a first switch 25 , and the main coil heating element 21 is connected to the Heizstromversor supply 24 by a second switch 26 . It can be seen that the heating elements 22 a and 22 b are in series with one another, but the main coil heating element 21 is connected in parallel. As a result, the activation of the trim coil heating elements 22 a and 22 b is controlled by the first switch 25 and the activation of the main coil heating element 21 by the second switch 26 . The first and second switches 25 and 26 are connected to a control unit 27 , so that their operation can be controlled by this in the manner shown in FIG. 2. The control unit 27 may be any suitable control unit that closes the first switch 25 to connect the heating power supply 24 to the trim coil heating elements 22 a and 22 b at a first time T1, and closes the second switch 26 to the heating power supply 24 to the To connect the main coil heating element 21 at a second point in time T2, which is different from the first point in time, wherein a predetermined time interval T lies between the two points in time T1 and T2. This predetermined time interval T is dimensioned such that the superconducting main coil 1 does not pass at a time T4 to a normal state when the supralei Tenden shim coils 2 a and 2 b are passed at a time T3 already in the normal state. The timing diagram of this operation of the first and second switches 25 and 26 with respect to the reversals of the state of the main coil and the trimming coils 2 a and 2 b is shown in FIG. 2. Alternatively, the control unit can also be designed so that it closes the second switch 26 in order to connect the main coil heating element 21 to the power supply 24 after the superconducting trim coils 22 a and 22 b have already passed into their normal state.

Wenn die supraleitende Magnetvorrichtung während des Dauer strombetriebs aus irgendeinem Grund sehr schnell zu ent magnetisieren ist, wenn z. B. ein Eisenstück an den supra leitenden Magneten angezogen wird oder ein Feuer ausbricht, wird die Steuereinheit 27 manuell oder automatisch einge schaltet. Wie Fig. 2 zeigt, schließt die Steuereinheit 27 zuerst den ersten Schalter 25 zum Zeitpunkt T1, um die Trimmspulenheizelemente 22a und 22b durch den Strom von der Heizstromversorgung 24 zu aktivieren und zu erhitzen, so daß die supraleitenden Trimmspulen 2a und 2b erhitzt wer den. Wenn die Temperatur der Trimmspulen 2a und 2b die jeweils vorbestimmte kritische Temperatur übersteigt, gehen die Trimmspulen 2a und 2b zum Zeitpunkt T3 aus dem Supra leiterzustand in den Normalleiterzustand über.If for some reason the superconducting magnet device is to be magnetized very quickly during continuous current operation, if z. B. an iron piece is attracted to the super conductive magnet or a fire breaks out, the control unit 27 is switched on manually or automatically. As shown in FIG. 2, the control unit 27 first closes the first switch 25 at time T1 in order to activate and heat the trim coil heating elements 22 a and 22 b by the current from the heating power supply 24 , so that the superconducting trim coils 2 a and 2 b who is heated. If the temperature of the trim coils 2 a and 2 b exceeds the respectively predetermined critical temperature, the trim coils 2 a and 2 b go from the superconductor state to the normal conductor state at the time T3.

Bei dem gezeigten ersten Ausführungsbeispiel wird der zweite Schalter 26 zur Aktivierung des Hauptspulenheizelements 21 durch Einwirkung der Steuereinheit 27 zum Zeitpunkt T2 zwi schen den Zeitpunkten T1 und T3 geschlossen, d. h. nach dem Schließen des ersten Schalters 25 und vor der Überführung der beiden Trimmspulen 2a und 2b in den Normalleiterzu stand. Durch das Schließen des zweiten Schalters 26 wird das Hauptspulenheizelement 21 zu einem Zeitpunkt T4 nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem Schließen des Schalters 26 aktiviert und auf eine vorbestimmte kritische Temperatur erhitzt. Da jedoch die Zeitdauer, bis das Haupt spulenheizelement 21 die supraleitende Hauptspule 1 er hitzt, allgemein kürzer (T2∼T4) ist als die Zeitdauer, die benötigt wird, bis die Trimmspulenheizelemente 22a und 22b die supraleitenden Trimmspulen 21 und 2b erhitzen (T1∼T3), erreicht die supraleitende Hauptspule 1 ihre kritische Tem peratur zum Zeitpunkt T4, nachdem die Trimmspulen 2a und 2b ihre kritischen Temperaturen zum Zeitpunkt T3 erreicht haben, mit nur einem relativ kurzen Zeitintervall (T3∼T4) dazwischen, und zwar auch dann, wenn das Hauptspulenheiz element 21 relativ später als die Trimmspulenheizelemente 2a und 2b aktiviert wird, so daß eine vollständige Entma gnetisierung bzw. Notabschaltung sehr schnell erreichbar ist.In the illustrated first embodiment, the second switch 26 to activate the Hauptspulenheizelements 21 by the action of the control unit 27 at the time T2 Zvi rule the time points T1 and T3 closed, that after the closing of the first switch 25 and before the transfer of the two shim coil 2 a and 2 b stood in the normal conductor. By closing the second switch 26 , the main coil heating element 21 is activated at a time T4 after a predetermined period of time has elapsed after the switch 26 has been closed and is heated to a predetermined critical temperature. However, since the time until the main coil heating element 21 heats the superconducting main coil 1 is generally shorter (T2 (T4) than the time it takes for the trim coil heating elements 22 a and 22 b to heat the superconducting trim coils 21 and 2 b ( T1~T3) reaches the superconductive main coil 1 its critical tem perature at the time T4, after the shim coils 2 a and 2 b their critical temperatures have reached at the time T3, with only a relatively short time interval (T3~T4) therebetween, and that even if the Hauptspulenheiz element 21 relatively later than the shim coil heating elements 2 a and 2 b is activated, so that a complete emergency shutdown or Entma gnetisierung is reached very quickly.

In den supraleitenden Trimmspulen 2a und 2b wird zwar bei der Entmagnetisierung der supraleitenden Hauptspule 1 ein elektrischer Strom induziert, aber die Stärke des induzier ten Stroms ist durch den Widerstand der jetzt normalleitenden Trimmspulen 2a und 2b auf einen relativ kleinen Wert be grenzt, der von den normalleitenden Trimmspulen ohne wei teres aufgenommen werden kann.In the superconducting trim coils 2 a and 2 b, an electrical current is induced during the demagnetization of the superconducting main coil 1 , but the strength of the induced current is limited by the resistance of the now normally conductive trim coils 2 a and 2 b to a relatively small value that can be picked up by the normal conducting trim coils without further notice.

Ferner wird zwar in der supraleitenden Hauptspule 1 ein Strom induziert, während die durch die Trimmspulen 2a und 2b fließenden Ströme sehr schnell abnehmen, wenn die supra leitenden Trimmspulen 2a und 2b in den Normalleiterzustand übergehen, aber dieser induzierte Strom in der Hauptspule ist relativ klein, weil die Ströme in den Trimmspulen eben so wie die Windungszahlen der Trimmspulen klein sind.Furthermore, although a current is induced in the superconducting main coil 1 , while the currents flowing through the trimming coils 2 a and 2 b decrease very quickly when the superconducting trimming coils 2 a and 2 b change to the normal conductor state, this induced current in the main coil is relatively small because the currents in the trim coils are just as small as the number of turns of the trim coils.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem zwi schen die Heizelemente 21, 22a und 22b und die Stromver sorgung 24 ein Schalter 28 und ein Verzögerungskreis 29 eingefügt sind. Funktion und Betrieb des Schalters 28 und des Verzögerungskreises 29 entsprechen denen des ersten und des zweiten Schalters 25 und 26 und der Steuereinheit 27 (Fig. 1). Fig. 3 shows a second embodiment in which between the heating elements 21 , 22 a and 22 b and the power supply 24, a switch 28 and a delay circuit 29 are inserted. The function and operation of the switch 28 and the delay circuit 29 correspond to those of the first and second switches 25 and 26 and the control unit 27 ( FIG. 1).

Claims

1. Superconducting magnetic device with a cryocontainer ( 23 ) for receiving a superconducting main coil ( 1 ) for generating a uniform magnetic field, at least one superconducting trim coil ( 2 a, 2 b) which is electromagnetically coupled to the superconducting main coil ( 1 ) and the uniformity of the magnetic field generated by the main coil ( 1 ), an emergency shutdown main coil heating element ( 21 ), which is arranged near the superconducting main coil ( 1 ) to demagnetize it, an emergency shutdown trim coil heating element ( 22 a, 22 b), which is close the at least one superconducting trim coil ( 2 a, 2 b) is arranged to demagnetize it, and a heating current supply ( 24 ) which supplies the heating elements ( 21 , 22 a, 22 b) with electrical current, characterized by an outside of the cryocontainer ( 23 ) arranged switching device ( 25 , 26 , 27 ; 28 , 29 ) for the external emergency shutdown of the trim and main coils ( 2 a, 2 b; 1 ), which is connected between the heating elements ( 21 , 22 a, 22 b) and the heating current supply ( 24 ) and is designed such that the heating current supply ( 24 ) at a first time (T1) with the at least one trim coil heating element ( 22 a, 22 b) and at a second later time (T2) can be connected to the main coil heating element ( 21 ), the time interval (T) between the first (T1) and the second time (T2) being predetermined and dimensioned such that no area of the superconducting main coil ( 1 ) changes to the normal line state before the at least one superconducting trim coil ( 2 a, 2 b) has changed to the normal line state.

2. Superconducting magnetic device according to claim 1, characterized in that the switching device ( 25 , 26 , 27 ) a first switch ( 26 ) for selectively connecting the main coil heating element ( 21 ) to the heating power supply ( 24 ), a second switch ( 25 ) for selective Connecting the at least one trim coil heating element ( 22 a, 22 b) to the heating power supply ( 24 ) and comprises a control unit ( 27 ) which actuates the switches ( 25 , 26 ) at different times (T1, T2).

3. Superconducting magnetic device according to claim 1, characterized in that the switching device ( 28 , 29 ) comprises a switch ( 28 ) and a delay circuit ( 29 ), the switch ( 28 ) being arranged between the heating power supply ( 24 ) and the delay circuit ( 29 ) and the delay circuit ( 29 ) is connected to the main coil heating element ( 21 ) and the at least one trim coil heating element ( 22 a, 22 b).